Photovoltaik Funktionsweise

Unter Photovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen. Bei der Umwandlung wird der photoelektrische Effekt ausgenutzt.

In Photovoltaikanlagen findet die Energiewandlung mithilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, statt. Die Nutzung der erzeugten Elektrizität kann vor Ort erfolgen, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird aufgrund der von den Solarzellen erzeugten Gleichspannung ein Wechselrichter zur Umwandlung benötigt. Mittels Wechselrichter wird daraus die übliche Netzwechselspannung mit 230V und 50Hz gebildet.

Photovoltaische Energiewandlung ist derzeit in Deutschland wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich kostspieliger, primär aufgrund der höheren Anschaffungskosten. Trotzdem haben - mitunter aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes - das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt.

Das deutsche Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) soll eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung ermöglichen, Primärzweck ist der Klima- und Umweltschutz. Die volkswirtschaftlichen Kosten der Energieversorgung sollen sich dadurch langfristig verringern, fossile Energieressourcen geschont und die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus Erneuerbaren Energien gefördert werden. So schreibt das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz eine Nutzung von erneuerbaren Energien bei der Wärmeerzeugung vor und das Biokraftstoffquotengesetz ihre Verwendung im Verkehrsbereich.

Photovoltaikanlagen bzw. Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial "dotiert". Damit ist das definierte Einbringen von chemischen Elementen gemeint, mit denen man entweder einen positiven Ladungsträgerüberschuss (p -leitende Halbleiterschicht) oder einen negativen Ladungsträgerüberschuss (n -leitende Halbleiterschicht) im Halbleitermaterial erzielen kann.

Werden zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterschichten gebildet, entsteht an der Grenzschicht ein sogenannter p-n-Übergang.

An diesem Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt. Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird der äußere Kreis geschlossen, das heißt ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.

Von der Zelle zum Modul

Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.

Photovoltaik Module bestehen aus mono- oder polykristalline Solarzellen, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind. Dabei sind in der Regel polykristalline Solarzellen kostengünstiger herzustellen als Solarzellen aus monokristallinem Silicium. Allerdings weisen polykristalline Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad auf: Der Wirkungsgrad für die monokristallinen PV-Module liegt bei 16 - 18%. Die polykristallinen Module haben einen Wirkungsgrad von ca. 14%.

Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 30 Wp und 200 Wp (Watt peak, Spitzenleistung). Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25°C Zelltemperatur. Da die Normstrahlung von 1000 Watt/qm in Deutschland jedoch nur selten erreicht wird, liegt die Leistungsabgabe der Module in der Praxis deshalb unter der angegebenen Nennleistung.

Die von den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.